EP2003304A1 - Kolben mit Kolbenmulde für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Gemischbildung unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung und eines derartigen Kolbens - Google Patents

Kolben mit Kolbenmulde für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Gemischbildung unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung und eines derartigen Kolbens Download PDF

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EP2003304A1
EP2003304A1 EP07110323A EP07110323A EP2003304A1 EP 2003304 A1 EP2003304 A1 EP 2003304A1 EP 07110323 A EP07110323 A EP 07110323A EP 07110323 A EP07110323 A EP 07110323A EP 2003304 A1 EP2003304 A1 EP 2003304A1
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EP
European Patent Office
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piston
fuel
trough
convex portion
injection
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EP07110323A
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Thomas Nitsche
Claudia Conée
Werner Willems
Frank Wunderlich
Frank Kraemer
Emir Mesic
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Ford Global Technologies LLC
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Ford Global Technologies LLC
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    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0672—Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0645—Details related to the fuel injector or the fuel spray
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a piston having a piston head and a piston recess provided in the piston crown, in particular for an internal combustion engine, which allows operation in two different operating modes, which - during operation of the internal combustion engine - is translationally movable along a piston longitudinal axis and in which the piston recess has an omega-shaped basic shape.
  • the invention relates to a method for forming a fuel-air mixture using an injector and a piston of the aforementioned type, wherein at least one injection of fuel is made directly into the combustion chamber of an internal combustion engine by means of the injection device, wherein the combustion chamber the piston crown of the piston and a cylinder tube is mitbe interpersonal.
  • the market share of small high-speed diesel engines is growing steadily. The reasons for this are on the one hand in the low fuel consumption and on the other hand in the comparatively good performance of modern diesel engines of the younger generations.
  • the low fuel consumption results, among other things, from a high compression ratio and low charge cycle losses due to the quality control of the diesel engine.
  • the nitrogen oxides contained in the exhaust can inherently - ie due to the lack of reducing agents - can not be reduced without additional measures.
  • selective catalysts - so-called SCR catalysts - are used, in which targeted reducing agents are introduced into the exhaust gas to selectively reduce the nitrogen oxides.
  • SCR catalysts - As a reducing agent in addition to ammonia and urea also unburned hydrocarbons are used. The latter is also called HC enrichment.
  • the nitrogen oxides can also be counteracted with so-called nitrogen oxide storage catalysts.
  • the nitrogen oxides are first collected during a storage phase in the catalytic converter, in order then to be reduced during a regeneration phase by means of a substoichiometric operation (for example ⁇ ⁇ 0.95) of the internal combustion engine.
  • Storage catalytic converters require the combustion of a homogeneous mixture to avoid high levels of soot emissions, which is why they are suitable for lean-burn gasoline engines, but especially not for direct-injection diesel engines.
  • An internal engine measure known from the prior art for reducing nitrogen oxide emissions consists in reducing the combustion temperatures, in particular the process peak temperatures. As the process temperatures decrease, the formation of nitrogen oxides also decreases.
  • Lower process temperatures can be realized for example by the recycling of hot exhaust gas (EGR) and / or intercooling.
  • EGR hot exhaust gas
  • Another disadvantage of the direct injection diesel engine process is the soot emissions due to the inhomogeneity of the fuel-air mixture.
  • regenerable particulate filters are used in the prior art, which filter the soot particles from the exhaust gas and store, these soot particles are intermittently burned in the regeneration of the filter.
  • soot To comply with future limits, the formation of soot must already be counteracted during the combustion, which can be achieved by a sufficiently large excess of air and an optimized mixture formation with the greatest possible homogenization.
  • the Otto engine method is characterized by a mixture compression, a homogeneous mixture, a spark ignition, and the quantity control, whereas the diesel engine process is characterized by an air compression, an inhomogeneous mixture, auto-ignition and quality control.
  • LTC Low Temperature Combustion
  • HCCI Homogeneous-Charge Compression Ignition
  • CAI-process C ontrolled A uto- gnition I
  • the fuel is burned in excess of air - that is, more than stoichiometrically.
  • the lean-burn diesel engine has comparatively low nitrogen oxide emissions (NO x ) due to the highly diluted homogenized fuel-air mixture and the associated low combustion temperatures and also virtually no soot emissions due to the lean homogenized mixture.
  • the thermal efficiency of the HCCI process is high because the homogenized mixture burns volumetrically, i. H. no diffusion flame propagates through the combustion chamber, but is ignited and burned in the entire combustion chamber almost simultaneously at a constant volume.
  • the diesel engine HCCI process also has disadvantages similar to those of the Otto engine HCCI process.
  • the main disadvantage of the HCCI method is that this method can not be used in all operating points of an internal combustion engine, so that the - already described above - benefits only in a small area of the engine map (load over speed) can be used.
  • an internal combustion engine can not be operated exclusively by the HCCI method, but basically a hybrid drive is required, ie, an internal combustion engine, which allows operation in two different operating modes to the internal combustion engine in the operating points where the HCCI method fails to operate anyway.
  • a conventional diesel engine process is used Use in which spreads a self-ignition, a diffusion flame in the combustion chamber.
  • the HCCI method can not be used at high loads and high speeds.
  • the restrictions in the application of the HCCI method arise in principle from the control of the ignition timing d. H. the auto-ignition and the control of the burning speed d. H. the burning process.
  • the auto-ignition and the burning speed are very sensitive to changes in the temperature of the cylinder charge, changes in the air ratio and speed changes.
  • the piston bowl 104 of a conventional piston 101 has according to FIG. 1 a concave portion 108, which serves to form the omega-shaped basic shape of the piston recess 104, wherein the piston longitudinal axis 102 facing trough surface 105 has two convex Partial regions 107a, 107b, of which a first portion 107a forms the trough edge 106 and a second portion 107b projects into the piston recess 104.
  • the two convex portions 107a, 107b are connected to each other via a cylindrical wall portion.
  • the fuel according to FIG. 1 injected in such a way that the injection jets 109 are directed to the second convex portion 107b, wherein the individual injection jets 109 split upon impact with the trough surface 105 in a plurality of divergent fuel partial beams, partially accelerated out of the piston recess 104 and partially deflected thereby mixed the fuel is spacious with the air in the combustion chamber, so that a good use of air is ensured.
  • a disadvantage of this conventional method for mixture formation is that - arise on the one hand due to the very dynamic distribution of the fuel in the combustion chamber and on the other hand due to the small radius of curvature of the trough edge - turbulence in the fuel-air mixture, especially in the region of the trough edge at the transition into the Crushing zone, which in a few, locally narrow areas of the combustion chamber, the mixture formation progresses so far that local conditions for auto-ignition are present, whereas in many areas of the combustion chamber is still a very inhomogeneous mixture. For this reason, the self-ignition is initiated earlier than is desirable, in particular with regard to a good emission behavior of the internal combustion engine. It would be more advantageous to increase the ignition delay d. H. ignite later and further homogenize the mixture before initiating auto-ignition.
  • Another object of the present invention is to provide a method of forming a fuel-air mixture using an injector and such a piston.
  • the first sub-task is solved by a piston with piston crown and provided in the piston crown piston recess, in particular for an internal combustion engine, which allows operation in two different operating modes, which - during operation of the internal combustion engine - is translationally movable along a piston longitudinal axis and wherein the piston recess an omega-shaped Has basic shape and which is characterized in that the piston longitudinal axis facing trough surface of the Omega-shaped piston recess has a convex portion which projects into the piston recess and merges while maintaining the direction of curvature and forming a trough edge in the piston crown, said convex portion of a minimum radius of curvature r 2 , with r 2 ⁇ 0.02 d, where d indicates the piston diameter.
  • the convex portion of the piston according to the invention has a larger radius of curvature compared to the prior art.
  • the minimum radius of curvature r 2 is not less than 0.02 d, where d indicates the piston diameter.
  • the emission behavior of the internal combustion engine is improved. Nitrogen oxide emissions and soot emissions are reduced.
  • the field of application of the so-called LTC method can be extended to higher loads and higher speeds, since the auto-ignition is better controllable d. H. easier to control.
  • the advantages of the LTC process can thus be used in another area of the engine map, which reduces nitrogen oxide emissions and soot emissions.
  • the mixture formation is more spray-guided when using a conventional piston
  • the mixture of the fuel with the combustion air is carried wall guided when using a piston according to the invention.
  • the fuel is injected into the combustion chamber in such a way that the injection jet is directed in a targeted manner to a wall delimiting the combustion chamber, preferably into the depression provided in the piston crown.
  • the fuel jet is to be split and deflected by the impact in several partial beams, so that the largest possible area of the combustion chamber is detected by the fuel jets. Ie. the combustion chamber bounding walls are used specifically for mixture formation.
  • the mixture transport essentially takes place by the pulse of the injection jet, wherein the kinetic energy of the injection jet is used.
  • the expansion of the treated fuel-air mixture cloud is inherently limited.
  • the convex portion will have its minimum radius of curvature r 2 in the middle region and outside of the trough edge.
  • This radius of curvature r 2 the more advantageous is the depression geometry with regard to the wall-supported flow guidance.
  • the wall-guided mixture preparation according to the invention is supported by the fact that the convex portion merges into the piston bottom while maintaining the direction of curvature and thereby forms the trough edge, wherein a long soft transition in the direction of crushing - to avoid turbulence - proves to be particularly advantageous.
  • the convex portion in the region of the trough edge at least partially has a radius of curvature r 1 with 0.13 d ⁇ r 1 ⁇ 0.43 d, preferably with 0.18 d ⁇ r 1 ⁇ 0.38 d, where d Indicates piston diameter.
  • the comparatively large radius of curvature of the trough edge prevents the flow from delaminating from the trough surface during the transition from the trough to the piston head and into the pinch zone.
  • Embodiments of the piston in which a concave region adjoins the convex portion on the side facing away from the piston crown - for forming the omega-shaped basic shape of the piston recess - are advantageous.
  • the direct transition of the convex portion into the concave deeper trough area also supports the wall-guided mixture preparation and counteracts a flow separation.
  • Embodiments of the piston in which the depression surface increases in the direction of the piston longitudinal axis while reducing the depression depth are advantageous. This supports the distribution of the injected fuel, especially at high loads d. H. large fuel quantities.
  • the rise of the trough directs the flow out of the trough in the direction of the cylinder head, resulting in good air utilization.
  • the piston recess has a minimum diameter D 1 having 0.48 d ⁇ D 1 ⁇ 0.64 d, preferably with 12:52, d ⁇ D 1 ⁇ 0.6 d, where d is the piston diameter and the minimum diameter in the range of the convex Subarea is present.
  • a large diameter ensures that, even at high loads, ie larger quantities of fuel to be injected, the fuel evaporates as far as possible before impinging on the trough surface.
  • the combustion is quieter ie quieter.
  • the piston according to the invention has a comparable with conventional piston maximum bowl depth, the trough is preferably less deep in the middle, ie, has a smaller minimum depth (see also FIG. 4 ).
  • an injection nozzle is used as the injection device, wherein the injection nozzle is preferably arranged centrally and aligned along the piston longitudinal axis.
  • the injection jet is the sum of the fuel jets injected by the injection device or the nozzle openings of the injection nozzle, so that the term "conical injection jet” designates the cone spanned by the fuel jets.
  • the LTC process on the one hand, and the traditional diesel engine process, on the other hand, place different demands on the injection.
  • the traditional diesel engine process requires a wide injection jet of, for example, 160 ° for better air utilization, so that to prevent oil dilution and to avoid high emissions of unburned hydrocarbons late - near top dead center (TDC) - should be injected.
  • TDC top dead center
  • a correspondingly narrow d. H. small angle ⁇ would therefore support early injection before TDC and late TDC injection in the HCCI process.
  • a narrowed opening angle ⁇ according to the invention does not deteriorate the mixture formation in the traditional diesel engine process at high speeds and high loads. For even if the opening angle ⁇ is smaller and the injection jet does not cover the entire combustion chamber, a rapid mixing of the injected fuel with the compressed gases can be ensured. In particular, the concave portion of the trough ensured even at high loads ie larger amounts of fuel sufficient air utilization, the fuel along the trough surface in the direction of the middle of the trough and in the direction of the cylinder head is transported (see also FIG. 3 ).
  • the piston according to the invention is also suitable for late injections in the vicinity of top dead center (TDC), since the injected fuel is distributed relatively quickly in the entire combustion chamber.
  • TDC top dead center
  • the inventive method for mixture formation allows operation of the internal combustion engine both by the conventional diesel engine method and by an LTC method, so that depending on the respective operating point of the internal combustion engine in the engine map either the LTC method or the traditional diesel engine method can be used.
  • mixed forms are also possible in which the fuel injected into the cylinder partly self-ignites as a homogenized charge (LTC process) and partly burned according to the traditional method-controlled by means of a diffusion flame-as an inhomogeneous mixture.
  • LTC process homogenized charge
  • Embodiments of the method are advantageous in which, as part of a charge exchange, recirculation of exhaust gas (EGR) into the combustion chamber of the internal combustion engine is performed with an EGR rate of up to 65%.
  • EGR exhaust gas
  • the exhaust gas is preferably returned cooled.
  • the LTC process achieves significantly higher EGR rates than conventional diesel engine technology. Even for late injection times can be ensured at low speeds and small amounts of fuel, a high homogenization of the mixture.
  • the recirculated exhaust gas reduces the oxygen content, increases the ignition delay and postpones the self-ignition of the diesel fuel. As a result, both the nitrogen oxides and the soot emissions can be lowered simultaneously.
  • Embodiments of the method are advantageous in which, as part of a charge exchange in the combustion chamber of the internal combustion engine, a twist is formed with 1.0 ⁇ DZ ⁇ 2.5, preferably with 1.6 d ⁇ DZ ⁇ 2.2.
  • the swirl number DZ results from the ratio of the angular velocity of the cylinder inner flow and the angular velocity of the crankshaft.
  • the mixture formation is - as in an air-driven combustion process - additionally supported by the movement of the combustion air in the combustion chamber.
  • the charge movement promotes the homogenization of the fuel-air mixture.
  • a swirl is by definition an air vortex about an imaginary axis, which runs parallel to the piston or cylinder longitudinal axis, in contrast to a tumble, which represents an air vortex whose axis is perpendicular to the piston longitudinal axis.
  • Embodiments of the method in which five to ten partial beams are used to form the conical injection jet are advantageous.
  • the surface 5 cuts the piston longitudinal axis 2 at a right angle.
  • the concave area 8 supports the distribution of the injected fuel, especially at high loads, ie large amounts of fuel.
  • the rise of the trough surface 5 or the trough 4 directs the flow out of the trough 4 in the direction of the cylinder head, which leads to good air utilization.
  • the concave low lying trough area 8 merges - on the side facing away from the center of the trough - into a convex partial area 7 while changing the direction of curvature.
  • This convex portion 7 projects into the piston recess 4 and, while retaining the direction of curvature and forming a trough edge 6, merges into the piston head 3.
  • the piston 1 or the trough 4 is characterized in that the convex portion 7 has a comparatively large radius of curvature r 2 or r 1 , whereby a soft ie elongated transition of the trough surface 5 is realized in the piston head 3, which prevents turbulence.
  • the directed onto the convex portion 7 injection jet 9 is split when hitting into partial beams, wherein the injected fuel along the trough surface 5 in the trough 4 into and out of the trough 4 out in the direction of crushing zone or transported (see FIG. 3 ).
  • the piston bowl 4 has a minimum diameter D 1 in the region of the convex portion 7 and a maximum depth T 1 in the concave region 8.
  • the trough 4 and a conventional trough 104 according to the prior art thus have a similarly large maximum depth T 1 and a comparable minimum diameter D 1 (see also FIG. 4).
  • FIG. 4 schematically shows in half section along the piston longitudinal axes 2, 102 in FIG. 1 illustrated conventional trough 104 (dashed line) together with the in FIG. 2 illustrated piston recess 4 (solid line).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) mit Kolbenboden (3) und im Kolbenboden (3) vorgesehener Kolbenmulde (4), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welche einen Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi ermöglicht, der - im Betrieb der Brennkraftmaschine - entlang einer Kolbenlängsachse (2) translatorisch bewegbar ist und bei dem die Kolbenmulde (4) eine Omegaförmige Grundform aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff-LuftGemisches unter Verwendung eines derartigen Kolbens (1). Es soll ein Kolben (1) der oben genannten Art bereitgestellt werden, der eine verbesserte Steuerung der kontrollierten Selbstzündung ermöglicht und die Anwendung von LTC-Verfahren hin zu höheren Drehzahlen und höheren Lasten ermöglicht. Erreicht wird dies mit einem Kolben (1) der oben genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die der Kolbenlängsachse (2) zugewandte Muldenoberfläche (5) der Omegaförmigen Kolbenmulde (4) einen konvexen Teilbereich (7) aufweist, der in die Kolbenmulde (4) hineinragt und unter Beibehaltung der Krümmungsrichtung und unter Ausbildung eines Muldenrandes (6) in den Kolbenboden (3) übergeht, wobei dieser konvexe Teilbereich (7) einen minimalen Krümmungsradius r 2 aufweist mit r 2 ‰¥ 0.02 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben mit Kolbenboden und im Kolbenboden vorgesehener Kolbenmulde, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welche einen Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi ermöglicht, der - im Betrieb der Brennkraftmaschine - entlang einer Kolbenlängsachse translatorisch bewegbar ist und bei dem die Kolbenmulde eine Omegaförmige Grundform aufweist.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung und eines Kolbens der oben genannten Art, bei dem mittels der Einspritzeinrichtung mindestens eine Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wird, wobei der Brennraum durch den Kolbenboden des Kolbens und ein Zylinderrohr mitbegrenzt wird.
  • Der Marktanteil kleiner schnelllaufender Dieselmotoren wächst stetig. Die Gründe hierfür liegen einerseits in dem niedrigen Kraftstoffverbrauch und andererseits im vergleichsweise guten Leistungsangebot moderner Dieselmotoren der jüngeren Generationen. Der geringe Kraftstoffverbrauch resultiert unter anderem aus einem hohen Verdichtungsverhältnis und geringen Ladungswechselverlusten aufgrund der Qualitätsregelung des Dieselmotors.
  • Nachteilig an herkömmlichen dieselmotorischen Verfahren sind insbesondere die - aufgrund der prozeßbedingten hohen Temperaturen - hohen Stickoxidemissionen (NOx).
  • Bei Dieselmotoren, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, insbesondere direkteinspritzenden Dieselmotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt - d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel - nicht ohne zusätzliche Maßnahmen reduziert werden. Zur Reduzierung der Stickoxide werden deshalb selektive Katalysatoren - sogenannte SCR-Katalysatoren - eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht werden, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet.
  • Grundsätzlich kann den Stickoxiden auch mit sogenannten Stickoxidspeicherkatalysatoren entgegengetreten werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst während einer Speicherphase im Katalysator gesammelt, um dann während einer Regenerationsphase mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (beispielsweise λ < 0,95) der Brennkraftmaschine reduziert zu werden. Speicherkatalysatoren setzen aber - zur Vermeidung hoher Rußemissionen - die Verbrennung eines homogenen Gemisches voraus, weshalb sie zwar für magerbetriebene Ottomotoren, aber insbesondere nicht für direkteinspritzende Dieselmotoren geeignet sind.
  • Auch wenn eine Reduzierung der Stickoxidemissionen mit Hilfe der Abgasnachbehandlung grundsätzlich möglich ist, erfordern die immer strengeren gesetzlichen Grenzwerte bezüglich der Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen immer voluminösere Abgasnachbehandlungssysteme. Zur Einhaltung zukünftiger Grenzwerte könnte dabei ein Volumen des Abgasnachbehandlungssystems erforderlich werden, das ein Vielfaches des Hubraums der Brennkraftmaschine erreicht.
  • Dies führt nicht nur zu Problemen beim Packaging, sondern auch zu ungünstigen Randbedingungen nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, da die thermische Trägheit des Abgassystems bedingt durch die größere Masse d. h. das höhere Gewicht zunimmt, so daß sich die Warmlaufphase verlängert. Des weiteren verursacht die größere Menge an Edelmetall zur Beschichtung des Abgasnachbehandlungssystems höhere Kosten.
  • Das zuvor Gesagte macht deutlich, daß - zur Einhaltung zukünftiger Grenzwerte - der Bildung von Stickoxiden bereits während der Verbrennung entgegen gewirkt werden muß, um die Stickoxid-Rohemissionen (engine-out-emissions) zu reduzieren.
  • Eine aus dem Stand der Technik bekannte innermotorische Maßnahme zur Verringerung der Stickoxidemissionen besteht darin, die Verbrennungstemperaturen, insbesondere die Prozeßspitzentemperaturen, zu senken. Mit sinkenden Prozeßtemperaturen nimmt auch die Bildung von Stickoxiden ab.
  • Niedrigere Prozeßtemperaturen können beispielsweise durch die Rückführung heißen Abgases (AGR) und/oder eine Ladeluftkühlung realisiert werden.
  • Ein weiterer Nachteil des direkteinspritzenden dieselmotorischen Verfahrens sind die Rußemissionen infolge der Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
  • Bei herkömmlichen direkteinspritzenden Dieselmotoren wird gegen Ende der Kompressionsphase Kraftstoff in die im Brennraum befindliche Luft eingespritzt. Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Selbstzündung des aufbereiteten Gemisches und der Verbrennung stehen bei kleinen schnelllaufenden Dieselmotoren nur sehr kurze Zeiträume in der Größenordnung von Millisekunden zur Verfügung. Infolgedessen liegt in der Regel während der Zündung und Verbrennung ein sehr inhomogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor, welches nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist, sondern sowohl sehr magere Gemischteile als auch sehr fette Gemischteile aufweist.
  • Dabei wird in Bereichen des Gemisches mit einem unterstöchiometrischen lokalen Luftverhältnis (λ < 1) und bei Temperaturen oberhalb 1500°K unter extremen Luftmangel Ruß gebildet.
  • Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerierbare Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden.
  • In der Regel werden möglichst lange Regenerationsintervalle angestrebt, was zu größeren Filtervolumen und folglich zu ähnlichen Problemen führt wie bereits weiter oben für die Abgasnachbehandlung der Stickoxide ausgeführt wurde.
  • Zur Einhaltung zukünftiger Grenzwerte muß der Bildung von Ruß bereits während der Verbrennung entgegen gewirkt werden, was durch einen ausreichend großen Luftüberschuß und eine optimierte Gemischbildung mit einer möglichst weitgehenden Homogenisierung erreicht werden kann.
  • Bei herkömmlichen Dieselmotoren lassen sich die Partikelemissionen und die Stickoxidemissionen nicht gleichzeitig durch innermotorische Maßnahmen reduzieren.
  • Mit dem Ziel, der Bildung von Schadstoffen bereits bei der Verbrennung entgegen zu wirken, werden zunehmend neue Brennverfahren entwickelt und untersucht. Häufig sind dies Hybrid-Brennverfahren, die darauf ausgerichtet sind, die Vorteile des dieselmotorischen Verfahrens mit den Vorteilen des ottomotorischen Verfahrens zu verbinden. Dabei konzentrieren sich die Entwicklungsarbeiten in erster Linie auf die wesentlichen Merkmale der beiden Verfahren.
  • Das ottomotorische Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch eine Gemischverdichtung, ein homogenes Gemisch, eine Fremdzündung, sowie die Quantitätsregelung, wohingegen das dieselmotorische Verfahren charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung.
  • Die Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich zunehmend auf die sogenannten LTC-Verfahren (Low Temperature Combustion), da diese Verfahren aufgrund ihrer niedrigen Prozeßtemperaturen geeignet erscheinen, der Entstehung von Stickoxiden schon bei der Verbrennung spürbar entgegenzuwirken und auf diese Weise die Stickoxidemissionen der Brennkraftmaschine zu verringern.
  • Ein Hybrid-Brennverfahren, das durch niedrige Prozeßtemperaturen gekennzeichnet ist und ein Beispiel für ein LTC-Verfahren darstellt, ist das sogenannte HCCI-Verfahren. Im Vergleich zu herkömmlichen dieselmotorischen Verfahren erweist sich das HCCI-Verfahren im Hinblick auf die kritischen Schadstoffemissionen, nämlich Ruß und NOx, als wesentlich günstiger. Das HCCI-Verfahren (Homogenous-Charge Compression-Ignition) wird auch als CAI-Verfahren (Controlled Auto-Ignition) bezeichnet und basiert auf einer kontrollierten Selbstzündung des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes.
  • Dabei wird der Kraftstoff unter Luftüberschuß - also überstöchiometrisch - verbrannt. Der im mageren Bereich betriebene Dieselmotor weist aufgrund des stark verdünnten homogenisierten Kraftstoff-Luft-Gemisches und der damit verbundenen niedrigen Verbrennungstemperaturen vergleichsweise geringe Stickoxidemissionen (NOx) auf und ebenfalls infolge des mageren homogenisierten Gemisches nahezu keine Rußemissionen.
  • Der thermische Wirkungsgrad des HCCI-Verfahrens ist hoch, da das homogenisierte Gemisch volumetrisch verbrennt, d. h. sich keine Diffusionsflamme durch den Brennraum fortpflanzt, sondern im gesamten Brennraum nahezu gleichzeitig bei konstantem Volumen gezündet und verbrannt wird.
  • Das HCCI-Verfahren und eine Brennkraftmaschine, die dieses Verfahren zur Verbrennung des Kraftstoffes verwendet, werden in der US 6,390,054 B1 beschrieben, wobei die Brennkraftmaschine ein Ottomotor ist, so daß nicht sämtliche in der US 6,390,054 B1 gemachten Ausführungen auf den hier maßgeblichen Dieselmotor übertragbar sind.
  • Dies liegt insbesondere darin begründet, daß die Eigenschaften von Benzin einerseits und Dieselkraftstoff andererseits doch zu unterschiedlich sind. So ist Dieselkraftstoff im Vergleich zu Benzin leichter entzündbar, weshalb eine sichere Selbstzündung in der Regel gegeben ist und Fehlzündungen und Zündaussetzer beim Dieselmotor eher unerheblich sind. Andererseits ist der Zeitpunkt der Selbstzündung bzw. der Zündverzug schwerer zu steuern, wohingegen Dieselkraftstoff nicht so leicht zu verdampfen ist wie Ottokraftstoff, was hohe Anforderungen an die Gemischaufbereitung stellt.
  • Trotz des sehr günstigen Emissionsverhaltens weist das dieselmotorische HCCI-Verfahren auch Nachteile auf, die denen des ottomotorischen HCCI-Verfahrens ähnlich sind.
  • Der wesentliche Nachteil des HCCI-Verfahrens besteht darin, daß dieses Verfahren nicht in sämtlichen Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann, so daß sich die - oben bereits beschriebenen - Vorteile nur in einem kleinen Bereich des Motorkennfeldes (Last über Drehzahl) nutzen lassen.
  • Dies ist auch der Grund dafür, daß nach dem Stand der Technik eine Brennkraftmaschine nicht ausschließlich nach dem HCCI-Verfahren betrieben werden kann, sondern grundsätzlich ein Hybrid-Antrieb erforderlich ist d.h. eine Brennkraftmaschine, welche einen Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi ermöglicht, um die Brennkraftmaschine in den Betriebspunkten, in denen das HCCI-Verfahren versagt, trotzdem betrieben zu können. Neben dem HCCI-Verfahren kommt dabei ein konventionelles dieselmotorisches Verfahren zum Einsatz, bei dem sich nach der Selbstzündung eine Diffusionsflamme im Brennraum ausbreitet.
  • Das HCCI-Verfahren kann insbesondere nicht bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen eingesetzt werden. Die Beschränkungen in der Anwendung des HCCI-Verfahrens ergeben sich dabei grundsätzlich aus der Steuerung des Zündzeitpunktes d. h. der Selbstzündung und der Steuerung der Brenngeschwindigkeit d. h. des Brennverlaufs. Die Selbstzündung und die Brenngeschwindigkeit reagieren sehr empfindlich auf Änderungen in der Temperatur der Zylinderladung, Änderungen im Luftverhältnis und Drehzahländerungen.
  • Mit zunehmender Last wird die Selbstzündung infolge des abnehmenden Luftverhältnisses nach früh verschoben d. h. das Kraftstoff-Luftgemisch zündet in der Kompressionsphase zu einem früheren Zeitpunkt, wobei die Umsatzraten bzw. die Brenngeschwindigkeit ebenfalls zunehmen. Infolge der weit vor dem oberen Totpunkt (OT) freigesetzten Verbrennungswärme sinkt der thermische Wirkungsgrad. Wird diesem Effekt durch ein Verschieben des Einspritzzeitpunktes nach spät entgegengewirkt, ist dies nur bedingt zielführend, da hierdurch auch die Gemischaufbereitung, insbesondere die Homogenisierung, nachteilig beeinträchtigt wird.
  • Mit zunehmender Drehzahl wird die Zeit, die zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luftgemisches im Rahmen von Vorreaktionen zur Verfügung gestellt wird, verkürzt, so daß bei hohen Drehzahlen der Schwerpunkt der Verbrennung nach spät verschoben wird, wodurch sich der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses verschlechtert.
  • Um den Bereich im Motorenkennfeld, in dem das HCCI-Verfahren angewendet werden kann, hin zu höheren Lasten und Drehzahlen auszudehnen d. h. zu vergrößern, müssen Maßnahmen ergriffen werden, welche eine bessere Steuerung der Selbstzündung und eine verbesserte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch bei hohen Drehzahlen gestatten. Zielführend können hierbei neue Verfahren zur Gemischbildung und neuartige Kolben bzw. Kolbenformen sein.
  • Die Kolbenmulde 104 eines herkömmlichen Kolbens 101 hat gemäß Figur 1 einen konkaven Bereich 108, der zur Ausbildung der Omegaförmigen Grundform der Kolbenmulde 104 dient, wobei die der Kolbenlängsachse 102 zugewandte Muldenoberfläche 105 zwei konvexe Teilbereiche 107a, 107b aufweist, von denen ein erster Teilbereich 107a den Muldenrand 106 ausbildet und ein zweiter Teilbereich 107b in die Kolbenmulde 104 hineinragt. Die beiden konvexen Teilbereiche 107a, 107b sind über einen zylinderförmigen Wandabschnitt miteinander verbunden.
  • Bei dem herkömmlichen Kolben 101 mit konventioneller Muldenform 104 wird der Kraftstoff gemäß Figur 1 in der Weise eingespritzt, daß die Einspritzstrahlen 109 auf den zweiten konvexen Teilbereich 107b gelenkt werden, wobei die einzelnen Einspritzstrahlen 109 beim Auftreffen auf die Muldenoberfläche 105 in mehrere divergierende Kraftstoff-Teilstrahlen aufgespalten, teilweise aus der Kolbenmulde 104 heraus beschleunigt und teilweise umgelenkt werden Dabei vermischt der Kraftstoff sich weiträumig mit der im Brennraum befindlichen Luft, so daß eine gute Luftausnutzung gewährleistet ist.
  • Die Aufsplittung des Einspritzstrahles in mehrere Teilstrahlen und das Beschleunigen dieser Teilstrahlen aus der Kolbenmulde heraus unter Ausnutzung der kinetischen Energie des eingespritzten Kraftstoffes unterstützt dabei grundsätzlich die Gemischaufbereitung d. h. auch die Homogenisierung des Gemisches im Rahmen eines LTC-Verfahrens.
  • Nachteilig an diesem herkömmlichen Verfahren zur Gemischbildung ist aber, daß sich - einerseits infolge der sehr dynamischen Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum und andererseits aufgrund des kleinen Krümmungsradius des Muldenrandes - Turbulenzen im Kraftstoff-Luft-Gemisch ergeben, insbesondere im Bereich des Muldenrands beim Übergang in die Quetschzone, wodurch in wenigen, örtlich eng begrenzten Bereichen des Brennraums die Gemischbildung so weit voranschreitet, daß lokal die Bedingungen für eine Selbstzündung vorliegen, wohingegen in weiten Bereichen des Brennraums noch ein sehr inhomogenes Gemisch vorliegt. Aus diesem Grund wird die Selbstzündung früher eingeleitet als dies, insbesondere hinsichtlich eines guten Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine, erwünscht ist. Vorteilhafter wäre es, den Zündverzug zu vergrößern d. h. später zu zünden und das Gemisch vor Einleitung der Selbstzündung weiter zu homogenisieren.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwunden werden und der insbesondere eine verbesserte Steuerung der kontrollierten Selbstzündung ermöglicht, wodurch der Anwendungsbereich von LTC-Verfahren hin zu höheren Drehzahlen und höheren Lasten erweitert wird.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung und eines derartigen Kolbens aufzuzeigen.
  • Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch einen Kolben mit Kolbenboden und im Kolbenboden vorgesehener Kolbenmulde, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welche einen Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi ermöglicht, der - im Betrieb der Brennkraftmaschine - entlang einer Kolbenlängsachse translatorisch bewegbar ist und bei dem die Kolbenmulde eine Omegaförmige Grundform aufweist und der dadurch gekennzeichnet ist, daß die der Kolbenlängsachse zugewandte Muldenoberfläche der Omegaförmigen Kolbenmulde einen konvexen Teilbereich aufweist, der in die Kolbenmulde hineinragt und unter Beibehaltung der Krümmungsrichtung und unter Ausbildung eines Muldenrandes in den Kolbenboden übergeht, wobei dieser konvexe Teilbereich einen minimalen Krümmungsradius r2 aufweist mit r2 ≥ 0.02 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  • Der konvexe Teilbereich des erfindungsgemäßen Kolbens weist einen im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerten Krümmungsradius auf. Der minimale Krümmungsradius r2 ist nicht kleiner als 0.02 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  • Dadurch werden Turbulenzen am Muldenrand beim Verteilen des eingespritzten Kraftstoffes verhindert. Die Gemischbildung verläuft anfangs d. h. zu Beginn der Kraftstoffverteilung bzw. Gemischaufbereitung weniger dynamisch. Der auf den konvexen Teilbereich bzw. Muldenrand gerichtete Einspritzstrahl wird beim Auftreffen in Teilstrahlen aufgespalten, wobei der eingespritzte Kraftstoff entlang der Muldenoberfläche in die Mulde hinein und aus der Mulde heraus in Richtung Quetschzone geführt bzw. transportiert wird.
  • Dadurch, daß die Kraftstoff- bzw. Kraftstoff-Luft-Strömung über einen weiten Bereich an der Muldenoberfläche anliegt und eine Ablösung infolge des erfindungsgemäß großen Krümmungsradius verhindert wird, können Turbulenzen und folglich eine verfrühte unkontrollierte Selbstzündung verhindert werden.
  • Zusätzlich wird den Teilen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, welche wandgeführt werden, über die Muldenoberfläche Wärme durch Konvektion entzogen, so daß die Gemischaufbereitung in den für die Selbstzündung relevanten Gemischbereichen verlangsamt wird, wodurch eine unerwünschte vorzeitige Selbstzündung verhindert wird.
  • Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens wird somit - aufgrund der verbesserten Muldenform d. h. Muldengeometrie - deutlich mehr Zeit für die Gemischaufbereitung bereitgestellt. Infolgedessen liegt zum Zeitpunkt der Selbstzündung ein besser aufbereitetes Gemisch, insbesondere ein besser homogenisiertes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor.
  • Das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine wird verbessert. Die Stickoxidemissionen und Rußemissionen werden reduziert. Zudem kann das Anwendungsgebiet der sogenannten LTC-Verfahren hin zu höheren Lasten und höheren Drehzahlen ausgedehnt werden, da die Selbstzündung besser steuerbar d. h. leichter zu kontrollieren ist.
  • Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich einen Kolben bereitzustellen, der eine verbesserte Steuerung der kontrollierten Selbstzündung ermöglicht und die Anwendung von LTC-Verfahren hin zu höheren Drehzahlen und höheren Lasten ermöglicht. Die Vorteile des LTC-Verfahrens können damit in einem weiteren Bereich des Motorenkennfeldes genutzt werden, wodurch die Stickoxidemissionen und Rußemissionen reduziert werden.
  • Während die Gemischbildung bei Verwendung eines herkömmlichen Kolbens eher strahlgeführt ist, erfolgt die Mischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Kolbens auch wandgeführt.
  • Beim wandgeführten Verfahren wird der Kraftstoff in der Art in den Brennraum eingespritzt, daß der Einspritzstrahl gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet wird, vorzugsweise in die im Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl soll dabei durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden, so daß ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfaßt wird. D. h. die den Brennraum begrenzenden Wände werden gezielt zur Gemischbildung genutzt.
  • Beim strahlgeführten Verfahren erfolgt der Gemischtransport im wesentlichen durch den Impuls des Einspritzstrahls, wobei die kinetische Energie des Einspritzstrahls genutzt wird. Im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen wandgeführten Verfahren ist dabei die Ausdehnung der aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemischwolke prinzipbedingt begrenzt.
  • Eine klare Abgrenzung der beiden Verfahren ist aber nicht möglich. In der Regel verfügen Verfahren zur Gemischbildung über eine wandgeführte und eine strahlgeführte Komponente, wobei häufig eine Komponente dominiert.
  • Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbens werden im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen der konvexe Teilbereich im mittleren Bereich und außerhalb des Muldenrandes einen minimalen Krümmungsradius r2 aufweist mit r2 ≥ 0.025 d, vorzugsweise mit 0.03 d ≤ r2 ≤ 0.09 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  • In der Regel wird der konvexe Teilbereich seinen minimalen Krümmungsradius r2 im mittleren Bereich und außerhalb des Muldenrandes aufweisen. Je größer dieser Krümmungsradius r2 ist, desto vorteilhafter ist die Muldengeometrie im Hinblick auf die wandgestützte Strömungsführung.
  • Die wandgeführte Gemischaufbereitung wird erfindungsgemäß dadurch unterstützt, daß der konvexe Teilbereich unter Beibehaltung der Krümmungsrichtung in den Kolbenboden übergeht und dabei den Muldenrand ausbildet, wobei sich ein langgezogener weicher Übergang in Richtung Quetschzone - zur Vermeidung von Turbulenzen - als besonderes vorteilhaft erweist.
  • Vorteilhaft sind aus diesem Grund auch Ausführungsformen des Kolbens, bei denen der konvexe Teilbereich im Bereich des Muldenrandes zumindest teilweise einen Krümmungsradius r1 aufweist mit 0.13 d ≤ r1 ≤ 0.43 d, vorzugsweise mit 0.18 d ≤ r1 ≤ 0.38 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt. Der vergleichsweise große Krümmungsradius des Muldenrandes verhindert, daß sich die Strömung beim Übergang von der Mulde zum Kolbenboden und in die Quetschzone hinein von der Muldenoberfläche ablöst.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen sich an den konvexen Teilbereich auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite - zur Ausbildung der Omegaförmigen Grundform der Kolbenmulde - ein konkaver Bereich anschließt. Der direkte Übergang des konvexen Teilbereichs in den konkaven tiefer gelegenen Muldenbereich unterstützt ebenfalls die wandgeführte Gemischaufbereitung und wirkt einer Strömungsablösung entgegen.
  • Während beim erfindungsgemäßen Kolben der überwiegende Teil des eingespritzten Kraftstoffes umgelenkt und an der Muldenoberfläche entlang geführt wird, prallen bei der herkömmlichen Muldenform - in Abhängigkeit vom momentanen Betriebspunkt - mehr oder weniger große Teile des Einspritzstrahles an der Muldenoberfläche ab, werden aus der Kolbenmulde heraus beschleunigt, also nicht an der Wand umgelenkt und geführt.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Kolbens, bei denen der konkave Bereich im mittleren Bereich zumindest teilweise einen Krümmungsradius r3 aufweist mit 0.05 d ≤ r3 ≤ 0.09 d, vorzugsweise mit 0.06 d ≤ r3 ≤ 0.075 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die Muldenoberfläche in Richtung Kolbenlängsachse unter Verringerung der Muldentiefe ansteigt. Dies unterstützt die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes insbesondere bei hohen Lasten d. h. großen Kraftstoffmengen. Der Anstieg der Mulde lenkt die Strömung aus der Mulde heraus in Richtung Zylinderkopf, was zu einer guten Luftausnutzung führt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die Kolbenmulde einen minimalen Durchmesser D1 aufweist mit 0.48 d ≤ D1 ≤ 0.64 d, vorzugsweise mit 0.52 d ≤ D1 ≤ 0.6 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt und der minimale Durchmesser im Bereich des konvexen Teilbereichs vorliegt.
  • Je größer der Durchmesser D1 gewählt wird, desto weiter ist der Weg für den Kraftstoff von der Einspritzeinrichtung bis hin zur Muldenoberfläche. Ein großer Durchmesser stellt sicher, daß auch bei hohen Lasten d. h. größeren einzuspritzenden Kraftstoffmengen eine weitestgehende Verdampfung des Kraftstoffes vor dem Auftreffen auf die Muldenoberfläche erfolgt. Zudem ist die Verbrennung geräuschärmer d. h. leiser.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Kolbens, bei denen die Kolbenmulde eine maximale Tiefe T1 aufweist mit 0.14 d ≤ T1 ≤ 0.24 d, vorzugsweise mit 0.18 d ≤ T1 ≤ 0.2 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt
  • Damit verfügt der erfindungsgemäße Kolben über eine mit herkömmlichen Kolben vergleichbare maximale Muldentiefe, wobei die Mulde mittig vorzugsweise weniger tief ist d. h. eine geringere minimale Tiefe aufweist (siehe auch Figur 4).
  • Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff Luft-Gemisches unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung und eines Kolbens der zuvor beschriebenen Art, bei dem mittels der Einspritzeinrichtung mindestens eine Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wird, wobei der Brennraum durch den Kolbenboden des Kolbens und ein Zylinderrohr mitbegrenzt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß
    • ■ mittels der Einspritzeinrichtung ein kegelförmiger Einspritzstrahl mit einem Öffnungswinkel γ ausgebildet wird mit 135° ≤ γ ≤ 160°, und
    • ■ der Einspritzzeitpunkt mindestens einer Einspritzung in der Art gewählt wird, daß der Einspritzstrahl in dem konvexen Teilbereich der Mulde auf die Muldenoberfläche gelenkt wird.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der kegelförmige Einspritzstrahl einen Öffnungswinkel γ aufweist mit γ ≤150°, vorzugsweise mit 140° ≤ γ ≤ 150°.
  • Vorteilhaft sind des weiteren Verfahrensvarianten, bei denen eine Einspritzdüse als Einspritzeinrichtung verwendet wird, wobei die Einspritzdüse vorzugsweise mittig und entlang der Kolbenlängsachse ausgerichtet angeordnet ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird als Einspritzstrahl die Summe der durch die Einspritzeinrichtung bzw. die Düsenöffnungen der Einspritzdüse eingespritzten Kraftstoffstrahlen bezeichnet, so daß der Begriff "kegelförmiger Einspritzstrahl" den durch die Kraftstoffstrahlen aufgespannten Kegel kennzeichnet.
  • Das bereits für den erfindungsgemäßen Kolben Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Das LTC-Verfahren einerseits und das traditionelle dieselmotorische Verfahren andererseits stellen unterschiedliche Anforderungen an die Einspritzung. Das traditionelle dieselmotorische Verfahren erfordert zur besseren Luftausnutzung einen weiten Einspritzstrahl von beispielsweise 160°, so daß zur Vermeidung einer Ölverdünnung und zur Vermeidung hoher Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen spät - in der Nähe des oberen Totpunktes (OT) - eingespritzt werden sollte.
  • Wird hingegen beim HCCI-Verfahren eine frühe Einspritzung zur Unterstützung der Homogenisierung des Gemisches als sinnvoll erachtet, würde dies zusammen mit einem weiten Einspritzstrahl von beispielsweise 160° dazu führen, daß der eingespritzte Kraftstoff teilweise auf die Zylinderrohrinnenwand trifft, was Nachteile hat, insbesondere eine zunehmende Ölverdünnung, aber auch erhöhte Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Ruß.
  • Ein entsprechend eng d. h. klein gewählter Öffnungswinkel γ würde daher eine frühe Einspritzung vor OT bzw. eine späte Einspritzung nach OT im Rahmen des HCCI-Verfahrens unterstützen.
  • Ein verengter Öffnungswinkel γ verschlechtert erfindungsgemäß auch nicht die Gemischbildung im Rahmen des traditionellen dieselmotorischen Verfahrens bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten. Denn selbst wenn der Öffnungswinkel γ kleiner ist und der Einspritzstrahl nicht den gesamten Brennraum erfaßt, kann eine schnelle Durchmischung des eingespritzten Kraftstoffes mit den verdichteten Gasen sichergestellt werden. Insbesondere der konkave Teilbereich der Mulde gewährleistet auch bei hohen Lasten d.h. größeren Kraftstoffmengen eine ausreichende Luftausnutzung, wobei der Kraftstoff entlang der Muldenoberfläche in Richtung Muldenmitte und in Richtung Zylinderkopf transportiert wird (siehe auch Figur 3).
  • Grundsätzlich eignet sich der erfindungsgemäße Kolben auch für späte Einspritzungen in der Nähe des oberen Totpunktes (OT), da der eingespritzte Kraftstoff vergleichsweise schnell im gesamten Brennraum verteilt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gemischbildung ermöglicht einen Betrieb der Brennkraftmaschine sowohl nach dem herkömmlichen dieselmotorischen Verfahren als auch nach einem LTC-Verfahren, so daß in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine im Motorkennfeld entweder das LTC-Verfahren oder das traditionelle dieselmotorische Verfahren zum Einsatz kommen kann.
  • Darüber hinaus sind auch Mischformen möglich, bei denen der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff teilweise als homogenisierte Ladung kontrolliert selbst zündet (LTC-Verfahren) und teilweise nach dem traditionellen Verfahren - kontrolliert mittels Diffusionsflamme - als inhomogenes Gemisch verbrannt wird.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der eingespritzte Kraftstoff vor dem Auftreffen auf die Muldenoberfläche weitestgehend verdampft wird. Dadurch wird verhindert, daß die Muldenoberfläche mit flüssigem Kraftstoff benetzt wird, was die Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Ruß signifikant erhöhen würde und somit im Hinblick auf eine gutes Emissionsverhalten zu vermeiden ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen im Rahmen eines Ladungswechsels eine Rückführung von Abgas (AGR) in den Brennraum der Brennkraftmaschine vorgenommen wird mit einer AGR-Rate bis zu 65%. Dabei wird das Abgas vorzugsweise gekühlt zurückgeführt.
  • Die Abgasrückführrate XAGR bestimmt sich dabei wie folgt: x AGR = m AGR / m AGR + m Frischluft
    Figure imgb0001
    wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte - gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte - Frischluft bzw. Verbrennungsluft bezeichnet.
  • Im Rahmen des LTC-Verfahrens werden wesentlich höhere AGR-Raten als beim herkömmlichen dieselmotorischen Verfahren realisiert. Selbst für späte Einspritzzeitpunkte kann bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Kraftstoffmengen eine hohe Homogenisierung des Gemisches gewährleistet werden.
  • Durch das zurückgeführte Abgas wird der Sauerstoffgehalt reduziert, der Zündverzug vergrößert und die Selbstzündung des Dieselkraftstoffes nach spät verschoben. Dadurch können gleichzeitig sowohl die Stickoxide als auch die Rußemissionen gesenkt werden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen im Rahmen eines Ladungswechsels im Brennraum der Brennkraftmaschine ein Drall ausgebildet wird mit 1.0 ≤ DZ ≤ 2.5, vorzugsweise mit 1.6 d ≤ DZ ≤ 2.2. Die Drallzahl DZ ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit der Zylinderinnenströmung und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. Bei dieser Verfahrensvariante wird die Gemischbildung - wie bei einem luftgeführten Brennverfahren - zusätzlich durch die Bewegung der Verbrennungsluft im Brennraum unterstützt.
  • Bei luftgeführten Brennverfahren wird versucht, eine Ladungsbewegung im Brennraum beim Ansaugen der Luft zu erzeugen, um auf diese Weise eine gute Durchmischung der angesaugten Luft und des direkt eingespritzten Kraftstoffes zu erzielen. Dabei wird eine möglichst weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum angestrebt.
  • Insbesondere bei hohen Drehzahlen, bei denen nur wenig Zeit zur Gemischaufbereitung zur Verfügung steht, und höheren Lasten d. h. größeren, im Brennraum zu verteilenden Kraftstoffmengen fördert die Ladungsbewegung die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
  • Ein Drall ist definitionsgemäß ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel zur Kolben- bzw. Zylinderlängsachse verläuft, im Gegensatz zu einem Tumble, der einen Luftwirbel darstellt, dessen Achse senkrecht zur Kolbenlängsachse verläuft.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen zur Ausbildung des kegelförmigen Einspritzstrahls fünf bis zehn Teilstrahlen verwendet werden.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den Figuren 1 bis 4 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig.1
    schematisch einen herkömmlichen Kolben mit konventioneller Muldenform im Halbschnitt entlang der Kolbenlängsachse zusammen mit einem Einspritzstrahl und den umgelenkten Teilströmungen,
    Fig. 2
    schematisch die Mulde einer ersten Ausführungsform des Kolbens im Halbschnitt entlang der Kolbenlängsachse,
    Fig. 3
    schematisch die erste Ausführungsform des Kolbens im Halbschnitt entlang der Kolbenlängsachse zusammen mit einem Einspritzstrahl und den umgelenkten Teilströmungen, und
    Fig. 4
    schematisch im Halbschnitt entlang der Kolbenlängsachse die in Figur 1 dargestellte Kolbenmulde zusammen mit der in Figur 2 dargestellten Mulde.
    • Figur 1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben.
    • Figur 2 zeigt schematisch die Mulde 4 einer ersten Ausführungsform des Kolbens im Halbschnitt entlang der Kolbenlängsachse 2. In Figur 3 sind ein Einspritzstrahl 9 und die in der Mulde 4 der ersten Ausführungsform des Kolbens 1 sich ausbildenden Strömungen illustriert.
  • Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, weist die im Kolbenboden 3 vorgesehene Mulde 4 zur Ausbildung der Omegaförmigen Grundform der Kolbenmulde 4 einen konkaven Bereich 8 mit einem Krümmungsradius r3 auf, wobei die Muldenoberfläche 5 in Richtung Kolbenlängsachse 2 unter Verringerung der Muldentiefe in einem Winkel α1 ansteigt und unter Ausbildung eines Krümmungsradius r4 in die Muldenmitte übergeht, wo ein Plateau ausbildet wird. Dabei schneidet die Oberfläche 5 die Kolbenlängsachse 2 in einem rechten Winkel.
  • Der konkave Bereich 8 unterstützt die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes insbesondere bei hohen Lasten d. h. großen Kraftstoffmengen. Der Anstieg der Muldenoberfläche 5 bzw. der Mulde 4 lenkt die Strömung aus der Mulde 4 heraus in Richtung Zylinderkopf, was zu einer guten Luftausnutzung führt.
  • Der konkave tiefgelegene Muldenbereich 8 geht - auf der der Muldenmitte abgewandten Seite - unter Änderung der Krümmungsrichtung in einen konvexen Teilbereich 7 über. Dieser konvexe Teilbereich 7 ragt in die Kolbenmulde 4 hinein und geht unter Beibehaltung der Krümmungsrichtung und unter Ausbildung eines Muldenrandes 6 in den Kolbenboden 3 über.
  • Der Kolben 1 bzw. die Mulde 4 ist dadurch gekennzeichnet ist, daß der konvexe Teilbereich 7 einen vergleichsweise großen Krümmungsradius r2 bzw. r1 aufweist, wodurch ein weicher d. h. langgezogener Übergang der Muldeoberfläche 5 in den Kolbenboden 3 realisiert wird, was Turbulenzen verhindert.
  • Der auf den konvexen Teilbereich 7 gerichtete Einspritzstrahl 9 wird beim Auftreffen in Teilstrahlen aufgespalten, wobei der eingespritzte Kraftstoff entlang der Muldenoberfläche 5 in die Mulde 4 hinein und aus der Mulde 4 heraus in Richtung Quetschzone geführt bzw. transportiert wird (siehe Figur 3).
  • Die Kolbenmulde 4 hat einen minimalen Durchmesser D1 im Bereich des konvexen Teilbereichs 7 und eine maximale Tiefe T1 im konkaven Bereich 8. Die Mulde 4 und eine herkömmliche Mulde 104 nach dem Stand der Technik verfügen damit über eine ähnlich große maximale Tiefe T1 und einen vergleichbaren minimalen Durchmesser D1 (siehe auch Figur 4). Figur 4 zeigt schematisch im Halbschnitt entlang der Kolbenlängsachsen 2, 102 die in Figur 1 dargestellte herkömmliche Mulde 104 (gestrichelte Linie) zusammen mit der in Figur 2 dargestellten Kolbenmulde 4 (durchgezogenen Linie).
    • Bezugszeichen
    • 1
    Kolben
    2
    Kolbenlängsachse
    3
    Kolbenboden
    4
    Kolbenmulde
    5
    Muldenoberfläche
    6
    Muldenrand
    7
    konvexer Teilbereich
    8
    konkaver Bereich
    9
    Einspritzstrahl
    101
    Kolben
    102
    Kolbenlängsachse
    103
    Kolbenboden
    104
    Kolbenmulde
    105
    Muldenoberfläche
    106
    Muldenrand
    107a
    erster konvexer Teilbereich
    107b
    zweiter konvexer Teilbereich
    108
    konkaver Bereich
    109
    Einspritzstrahl
    α1
    Steigungswinkel
    γ
    Öffnungswinkel des Einspritzstrahls
    d
    Kolbendurchmesser
    D1
    minimaler Muldendurchmesser
    DZ
    Drallzahl
    OT
    oberer Totpunkt
    r1
    Krümmungsradius des Muldenrandes
    r2
    minimaler Krümmungsradius des konvexen Teilbereichs
    r3
    Krümmungsradius des konkaven Bereichs
    r4
    Krümmungsradius beim Übergang zur Kolbenmitte
    T1
    maximale Muldentiefe
    xAGR
    Abgasrückführrate

Claims (13)

  1. Kolben (1) mit Kolbenboden (3) und im Kolbenboden (3) vorgesehener Kolbenmulde (4), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welche einen Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi ermöglicht, der - im Betrieb der Brennkraftmaschine - entlang einer Kolbenlängsachse (2) translatorisch bewegbar ist und bei dem die Kolbenmulde (4) eine Omegaförmige Grundform aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die der Kolbenlängsachse (2) zugewandte Muldenoberfläche (5) der Omegaförmigen Kolbenmulde (4) einen konvexen Teilbereich (7) aufweist, der in die Kolbenmulde (4) hineinragt und unter Beibehaltung der Krümmungsrichtung und unter Ausbildung eines Muldenrandes (6) in den Kolbenboden (3) übergeht, wobei dieser konvexe Teilbereich (7) einen minimalen Krümmungsradius r2 aufweist mit r2 ≥ 0.02 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  2. Kolben (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der konvexe Teilbereich (7) einen minimalen Krümmungsradius r2 aufweist mit r2 ≥ 0.025 d, vorzugsweise mit 0.03 d ≤ r2 ≤ 0.09 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der konvexe Teilbereich (7) im Bereich des Muldenrandes (6) zumindest teilweise einen Krümmungsradius r1 aufweist mit 0.13 d ≤ r1 ≤ 0.43 d, vorzugsweise mit 0.18 d ≤ r1 ≤ 0.38 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  4. Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sich an den konvexen Teilbereich (7) auf der dem Kolbenboden (3) abgewandten Seite - zur Ausbildung der Omegaförmigen Grundform der Kolbenmulde (4) - ein konkaver Bereich (8) anschließt.
  5. Kolben (1) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der konkave Bereich (8) zumindest teilweise einen Krümmungsradius r3 aufweist mit 0.05 d ≤ r3 ≤ 0.09 d, vorzugsweise mit 0.06 d ≤ r3 ≤ 0.075 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  6. Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Muldenoberfläche (5) in Richtung Kolbenlängsachse (2) unter Verringerung der Muldentiefe ansteigt.
  7. Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Kolbenmulde (4) einen minimalen Durchmesser D1 aufweist mit 0.48 d ≤ D1 ≤ 0.64 d, vorzugsweise mit 0.52 d ≤ D1 ≤ 0.6 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt und der minimale Durchmesser im Bereich des konvexen Teilbereichs (7) vorliegt.
  8. Kolben (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Kolbenmulde (4) eine maximale Tiefe T1 aufweist mit 0.14 d ≤ T1 ≤ 0.24 d, vorzugsweise mit 0.18 d ≤ T1 ≤ 0.2 d, wobei d den Kolbendurchmesser angibt.
  9. Verfahren zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Verwendung einer Einspritzeinrichtung und eines Kolbens (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem mittels der Einspritzeinrichtung mindestens eine Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wird, wobei der Brennraum durch den Kolbenboden (3) des Kolbens (1) und ein Zylinderrohr mitbegrenzt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ■ mittels der Einspritzeinrichtung ein kegelförmiger Einspritzstrahl mit einem Öffnungswinkel γ ausgebildet wird mit 135° ≤ γ ≤ 160°, und
    ■ der Einspritzzeitpunkt mindestens einer Einspritzung in der Art gewählt wird, daß der Einspritzstrahl in dem konvexen Teilbereich (7) der Mulde (4) auf die Muldenoberfläche (5) gelenkt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der eingespritzte Kraftstoff vor dem Auftreffen auf die Muldenoberfläche (5) weitestgehend verdampft wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Rahmen eines Ladungswechsels eine Rückführung von Abgas (AGR) in den Brennraum der Brennkraftmaschine vorgenommen wird mit einer AGR-Rate bis zu 65%.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Rahmen eines Ladungswechsels im Brennraum der Brennkraftmaschine ein Drall ausgebildet wird mit einer Drallzahl DZ, für die gilt: 1.0 ≤ DZ ≤ 2.5, vorzugsweise mit 1.6 d ≤ DZ ≤ 2.2.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zur Ausbildung des kegelförmigen Einspritzstrahls fünf bis zehn Teilstrahlen (9) verwendet werden.
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